由麗華，陽莉，易瑞吉

(四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司，四川成都 610091)

1 工程概況與流域自然地理概況

1.1 工程概況

紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省都江堰市境內岷江上游的麻溪鄉(xiāng)，距成都市60余km，是一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程，也是都江堰灌區(qū)和成都市的水源調節(jié)工程。

工程壩址以上控制流域面積22662km2，占岷江上游面積的98%;多年平均流量469m3/s，年徑流總量148億m3，占岷江上游總量的97%;控制岷江上游暴雨區(qū)洪水的90%，上游泥沙來量的98%，能有效的調節(jié)上游水量、控制洪水和泥沙。水庫控灌面積1400萬畝(93.3萬hm2)，同時提供城市生活及工業(yè)用水50m3/s，城市環(huán)保用水20m3/s。

工程主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)、沖沙放空洞、1#泄洪排沙洞、2#泄洪排沙洞和左岸堆積體處理工程。水庫校核洪水位高程883.1m，相應洪水標準為可能最大洪水流量12700m3/s;設計洪水位高程871.2m，相應洪水標準為千年一遇(P=0.1%)流量為8300m3/s;正常蓄水位高程877m，汛限水位高程850m，死水位高程817m，水庫總庫容 11.12 億 m3，正常水位庫容 9.98 億 m3。混凝土面板堆石壩壩高156m，壩頂高程為884m，電站裝機4×190MW，保證出力168MW，多年平均發(fā)電量34.17億kW·h。該工程為Ⅰ等，主要建筑物為1級。

1.2 流域自然地理概況

岷江是長江上游的一級支流，發(fā)源于四川省西北部的岷山山脈南麓。分東、西二源，東源漳臘河發(fā)源于松潘縣弓杠嶺，西源潘卅河發(fā)源于松潘縣的郎加嶺，兩源于松潘縣元壩鄉(xiāng)紅橋關匯合后始稱岷江。岷江自北向南流經松潘、茂縣、汶川，至都江堰經魚咀分為內外二江，穿成都平原后于新津縣與彭山縣交界處匯合。再由西北向東南于宜賓市注入長江。岷江全長750km，流域面積135500km2，平均比降5.01‰，流域地理座標界于東經99°42'～104°50'、北緯 28°17'～33°38'之間，流域略呈西北～東南向的長條狀。

岷江在都江堰市以上為上游。岷江上游河長341km，集雨面積23000km2，河道平均比降約7.5‰。茂縣以上為松潘高原，地勢高亢，海拔高程多在3000～4000m。河源至松潘西陵關之間地勢平緩，相對高差較小。西陵關以下開始進入峽谷，沿河嶺谷高差懸殊，坡陡谷深，灘多彎急，河床深切，水流湍急，河道比降在10‰以上，斷面多呈“V”型。出茂縣較場鄉(xiāng)，地面高程突然下降，河谷較上游略開闊，河道平均比降約在5‰左右。汶川以下又復入高山峽谷，河道平均比降約為8‰。自映秀灣至都江堰一段，岷江逐漸進入平原，平均比降為4.9‰。

岷江上游水系發(fā)育。在鎮(zhèn)江關有小姓溝入匯，在兩河口有黑水河入匯，經茂縣至汶川有雜谷腦河入匯，至映秀、漩口有漁子溪、壽溪入匯，至紫坪鋪下游有白沙河入匯。各支流中除白沙河由岷江左岸匯入外，其它支流均由右岸匯入。致使岷江上游左右岸面積極不對稱。

岷江上游地處龍門山斷裂帶，茂縣以上地質構造復雜，地震活動頻繁，為我省有名的高地震區(qū)。茂縣至汶川一帶，巖石風化破碎，植被較差，汶川至漩口一帶暴雨強度較大，滑坡、崩坍、泥石流運動較為頻繁，是岷江上游泥沙的主要來源地。

2 “5.12”汶川地震對流域產匯流特性的影響

流域產匯流過程就是在不同氣候和下墊面條件下，由降雨形成徑流的過程，此過程受到降雨特性和下墊面特征及其耦合作用的影響。流域內氣候受大氣環(huán)流、洋流運動及極地冰川等全球大氣候趨勢變化影響，下墊面條件則受板塊運動、地質變遷及人類活動等因素影響，隨著時間的推移，呈一定規(guī)律性變化?？傮w來說，針對同一流域而言，經過長期的地質變化，流域氣候及地形地貌處于穩(wěn)定狀態(tài)。在紫坪鋪水庫控制流域內，汶川以上區(qū)域屬于川西高原，受地震影響較小，基本保持原有特性，近壩區(qū)包括汶川至壩址干流區(qū)域及漁子溪、壽溪下游區(qū)域受地震的影響嚴重，原有地形地貌遭到巨大破壞，原有氣候及下墊面特性蕩然無存。這種劇烈的變化直接導致了水庫徑流趨勢的改變，影響到了水庫固有的運行規(guī)律，給日常水庫調度工作造成了極大的困難。

2.1 年徑流總量變化趨勢

由水庫運行資料中挑取1990年至2010年20年徑流量趨勢(圖1)。由圖1可見，年徑流總量基本呈現3～5a為一周期的波動變化，但大趨勢呈逐年下降，至2006年110億m3為近年歷史最低值，然后進入上升趨勢，至2008年趨勢有所放緩，然后逐年上升至2010年，達到146億m3。由圖2、表1也可看出2006年至2011年年降雨總量變化處在正常范圍，且降雨個月分配情況符合原有流域特性。因此可以判斷地震并未對年時間尺度徑流量趨勢產生突變影響，即并未對整個流域氣候趨勢產生影響。

2.2 局部氣候分析

圖1 1990年至2010年年徑流總量趨勢圖

紫坪鋪水庫自2005年投入運行以來，正值大氣候周期處于偏干旱階段，2006、2007年水庫來水較為平穩(wěn)并未出現極端惡劣天氣，其中單站降雨量極值均在50mm左右，且降雨過程較為分散，雨強不大，產生洪峰流量較小，其中2006～2008年最大洪峰流量為1961m3/s。進入2009年以來，流域內極端暴雨天氣頻次增加，暴雨點主要集中在近壩區(qū)漁子溪、壽溪流域下游～龍溪河～白沙河一帶，其中2009年最大一次降雨過程出現在7月17日的白沙河虹口站，5h降雨量達226mm，白沙河流量從數十陡漲至623m3/s;2010年最強的降雨出現在8月18日的壩上站，8 h降雨量達232mm，臨近的虹口站12h降雨量達235mm，白沙河流量陡漲至接近2000m3/s左右(P=1%)。2011年7月4日凌晨，壽溪河流域最大雨量達到270mm，漁子溪達到130mm，此次降雨過程產生水庫運行以來最大洪峰2761m3/s。

表1 2006～2011年降雨量時間分布及對比表 單位:mm、%

圖2 2011年降雨量時間分布及對比示意圖

圖3 2008年汛期降雨空間分布示意圖

圖4 2009年汛期降雨空間分布示意圖

圖5 2010年汛期降雨空間分布示意圖

圖6 2011年汛期降雨空間分布示意圖

表2 2006年至2011年流域暴雨洪峰一覽表

由表2可知，2008年地震后近壩區(qū)出現暴雨天氣幾率增加，雨量陡增且雨日增多。圖3、4、5、6分別是2008年至2011年汛期降雨空間分布情況，從中可以清楚地看到2008年除個別站點在地震中損壞缺測外，總體降雨較為均勻，其中上游高原區(qū)降雨略少于近壩區(qū)區(qū)域;地震后歷年暴雨中心有向近壩區(qū)附近集中的趨勢。

究其原因，在大的水氣環(huán)流未發(fā)生顯著變化的情況下，由于震中附近震損嚴重，山體較為松散，導致植被破壞出現大面積裸露山體，造成局部區(qū)域持水能力下降，蒸發(fā)量激增，伴隨地形地貌特點易形成強對流天氣，同時強降雨往往造成大面積泥石流等地質災害，更加加劇了山體植被的破壞，形成惡性循環(huán)，導致近些年暴雨天氣有增多加劇的趨勢。這也是本次大地震后地震斷裂帶周圍地區(qū)連續(xù)數年普遍暴發(fā)山體滑坡泥石流等次生地質災害的原因之一。

2.3 產匯流特點分析

圖7和圖8分別為地震前和地震后兩場較為典型的洪水過程，分別發(fā)生在2007年和2011年，兩場洪水雖量級有一定差別，但降雨類型較為相似，暴雨中心均發(fā)生在壽溪河黑土坡站，洪水主要由近壩區(qū)降雨補給構成，形成洪水過程均表現為陡漲陡落，峰高且瘦。由兩圖比較可知，地震前從降雨至起漲到產生洪峰入庫需3～5h左右，而地震后過程于4h雨強出現最大，緊隨其后即產生入庫最大洪峰，其間隔僅為1h左右，較地震前產匯流時間縮短2～3h。分析其原因，震后降雨強度較之前降雨增大，加速了洪峰形成，洪峰傳播速度亦得到加強，同時區(qū)域內植被條件較差，遲滯洪水作用不明顯，山洪順落差急速奔泄，造成了產匯流速度的提高。震后水庫調度運用中應對此引起足夠的重視。

3 “5.12”汶川地震對紫坪鋪水庫庫容的影響

3.1 地震對庫容曲線總體影響分析

水位庫容曲線作為水庫調度的重要參數，關乎整個汛期防洪調度的安全，以及枯期興利目標的實現。在“5.12”地震中，庫區(qū)兩岸出現大面積山體垮塌現象，同時由于山體松散及強降雨造成的泥石流等次生災害，也導致大量泥沙石塊涌入庫區(qū)，汛期洪水夾帶大量泥沙入庫，均會造成水庫庫容的減少，那么，影響究竟如何?紫坪鋪水庫分別于震前2008年初和震后2011年初對庫容斷面進行了復測，對于分析“5.12”地震對水庫庫容的影響提供了實時數據。兩次測量成果的比較詳見表3。

圖7 2007年5月23日降雨產流過程圖

圖8 2011年7月4日降雨產流過程圖

表3 庫容變化情況表 /億m3

通過對初設庫容及地震前后兩次測量成果進行比較可以看出，2008年和2011年兩階段各特征水位下庫容均有不同程度減小，但2008年成果較初設庫容減少幅度較小，其中死庫容下為0.05億m3，證明水庫自2006年投入運行后兩年時間里運行較為平穩(wěn)，水庫淤積處于正常狀態(tài)。2011年庫容較2008年則發(fā)生較大變化，其中正常蓄水位高程877m下庫容減少0.5305億m3，校核水位高程883m下庫容減少0.5517億m3，汛期限制水位以下庫容減少0.4788億m3，死水位以下庫容減少0.3468億m3，可見地震對于水庫庫容的影響程度。由圖9可以看出，2008年與2011年兩庫容曲線在高程較低處存在較大偏差，然后基本處于平行狀態(tài)，即意味著減少庫容淤積部分主要位于死庫容，其占總減少庫容的63%?？梢娔壳皫烊輩档母淖儗τ谒畮斓恼Ｕ{度影響較小。

圖9 紫坪鋪水庫庫容變化比較示意圖

3.2 地震前后兩次測量出現明顯差異的典型斷面對比分析

兩次測量過程中大部分斷面布設基本相同，經過對相關斷面逐個進行比較可以看出，2011年較2008年各個斷面變化趨勢相同，變化規(guī)律隨水庫庫底高程的變化而變化，說明既使發(fā)生了大地震，水庫的淤積趨勢亦是相同的，但其中M12斷面在兩次測量中出現明顯的差異，見圖10。

圖10 2008年及2010年M12斷面對比圖

該斷面位于都汶高速紫坪鋪大橋上游，圖中虛線斷面為2011年成果，底部高程為815m，較2008年該斷面底部高程775m最大變幅達40m，存在嚴重的山體滑坡現象，充分體現出紫坪鋪水庫在抗擊地震第一波次破壞以及震后次生災害的防御上所起到的關鍵作用，徹底阻擋了上游堰塞湖及泥石流等災害的威脅，為下游成都平原的安危筑起了一道天然緩沖區(qū)。

4 地震發(fā)生對紫坪鋪水庫調度運用的影響分析

2008年5月12日，汶川發(fā)生8級大地震，距離震中僅17km的紫坪鋪水利樞紐工程的水工建筑物、金屬結構、機電設備等受到不同程度的損壞。地震發(fā)生時，紫坪鋪水庫水位高程為829m，入庫流量約為40m3/s，電站四臺機組發(fā)電，1#、2#泄洪洞處于擋水檢修狀態(tài)(不具備放水條件)，沖沙放空洞處于工作門擋水備用狀態(tài)。下午14時28分地震發(fā)生后，川西電網解列，電站4臺機組中的三臺甩負荷，一臺緊急事故閉門，樞紐及電網全部失電，河道斷流，對外通訊及交通亦同時中斷。為滿足下游供水要求，經過樞紐運行單位積極搶險并及時采取有效措施，于震后約20min開啟水輪機組空載運行，1h之后成功實施電站機組黑啟動，保證了樞紐區(qū)自供電，為后續(xù)的應急救援和應急搶修提供了電力保障;由于震后至5月13日庫區(qū)內發(fā)生了強降雨，入庫流量已增至600 m3/s，水庫水位達到高程834m以上，經過搶修，5月13日14∶12開啟沖沙放空洞工作門，下泄流量約300m3/s;5月13日17∶33開啟2#泄洪排沙洞檢修門和工作門，總下泄流量達800m3/s，實現了對水庫水位的有效控制，及時緩解了上游來水對大壩造成的壓力和風險，同時利用對水庫水位的調整開通了都江堰至汶川水上救援通道;5月17日17∶55，電站4臺機組投入發(fā)電運行，發(fā)電流量約800m3/s，解除了長期過流對已經受地震損害的高流速泄洪洞的威脅，保障了下游持續(xù)安全供水;5月20日12∶25，成功開啟了1#泄洪排沙洞檢修門和工作門，徹底解除了水庫水位上漲對大壩和下游受損嚴重的都江堰市的威脅。

4.1 地震前的水庫調度運用

紫坪鋪水庫調度以灌溉和供水為主，在確保工程運行安全的前提下，充分利用水庫調節(jié)性能削峰、錯峰，通過科學調度，滿足了下游地區(qū)用水需要，并盡量多發(fā)電。水庫主汛期6～9月汛限水位為高程850m，10月份水庫蓄水可至正常蓄水位高程877m，次年5月水庫水位逐步消落至死水位高程817m。

紫坪鋪工程于2005年9月30日下閘蓄水，運行3a多時間來，發(fā)揮了向下游供水、發(fā)電、抗旱救災、應急調水等方面的重要作用。至2008年底已累計發(fā)電79.39億kW·h，向下游供水366億m3，紫坪鋪水庫已成為都江堰灌區(qū)和成都市最重要的調節(jié)水源，紫坪鋪電站已經成為成都市負荷中心最重要的支撐電源。

水庫投入運用以來，基本按照初步設計擬定的調度方式運用。2006～2008年年最大入庫洪峰流量的量級在1210～1960m3/s之間，小于多年平均洪峰流量均值2470m3/s。水庫最高水位出現在2006年10月，為高程875.56m。水庫2006年1月～2008年5月各月運用最高水位見表4。

表4 水庫各月運用最高水位表 /m

圖10 2007年入庫、出庫流量及日均庫水位隨時間變化示意圖

圖11 2008年入庫、出庫流量及日均庫水位隨時間變化示意圖

4.2 地震對工程防洪能力的影響

4.2.1 地震前的工程防洪能力

紫坪鋪水庫蓄水安全鑒定期間對工程防洪能力進行了復核，大壩高程由校核洪水位控制，復核后的校核洪水位高程為883.04m，比初步設計階段的校核洪水位低0.06m。經復核，工程的防洪標準滿足規(guī)范規(guī)定，工程建成后的防洪能力達到了設計要求。

4.2.2 地震后的工程防洪能力

由于地震的影響，地震后防浪墻頂高程較初步設計確定的高程低1.02m。經計算，在對工程震損部位進行修復前，10000年一遇洪水時壩前最高水位高程為875.9m，壩頂和防浪墻加高前工程可達到超過10000年一遇洪水的防洪標準。鑒于防浪墻頂高程由校核洪水位加超高確定，因此，在防浪墻頂和壩頂加高前，大壩的防洪標準達不到可能最大洪水的校核洪水標準。

4.2.3 災后重建完成后的工程防洪能力

根據水利部批復的《紫坪鋪水利樞紐工程災后恢復重建初步設計報告》，經過3a時間的災后重建，紫坪鋪水利樞紐在地震過程中受損的部位得到了全面修復和加固，大壩、泄洪設施、引水發(fā)電系統(tǒng)及電站廠房和機電設備全部達到或超過了原初步設計水平，具備了初步設計報告設計的防洪標準和防洪能力，工程在災后重建完成后達到要求。

4.3 地震后的水庫調度運用

震后水庫調度運用在既要保證抗震救災、大壩除險加固以及災后重建的要求前提下，又要保證下游成都市和都江堰灌區(qū)供水、供電和防洪的興利需求。與震前不同的是，面對震后地質災害頻發(fā)對成都市安全供水造成極大影響的情況下，水庫還承擔了應急供水的任務。從2008年5月至2011年9月，共向下游供水477.36億 m3，枯期增加供水18.09億 m3，汛期應急供水達2.64億m3。

4.3.1 震后搶險及除險加固階段的水庫調度運用

2008年5月12日震前，水庫按正常調度運用計劃為保證灌區(qū)用水需求已消落至高程829m水位，地震發(fā)生后至5月末，為保證大壩安全和至映秀鎮(zhèn)的水上生命救援通道，水位維持在高程830m附近運行。根據水利部水規(guī)總院對震后大壩面板修復設計報告的初步審查意見，需對大壩面板及止水系統(tǒng)進行修復處理。由于6月將進入主汛期，涉及工程安全度汛的大壩面板防滲系統(tǒng)修復尤為重要，修復施工于5月下旬展開，根據施工進度安排，23#～24#面板垂直縫修復完成前水庫水位需控制在825m高程運行;845m高程水平施工縫錯臺處理完成前水庫水位需控制在843 m高程;至2008年8月，大壩面板和止水系統(tǒng)修復工作基本結束后，水庫恢復至汛限水位高程850m運行。受地震影響，壩址以上20余km處的右岸百花橋震毀，百花鎮(zhèn)至映秀鎮(zhèn)(約3km)的通行改由老213國道，受公路高程(最低點高程為861.03m)控制，2008、2009年汛后水庫最高蓄水位限制在高程860m運用，水庫較正常蓄水位高程877m減少調節(jié)庫容2.83億m3。

4.3.2 災后重建期間的水庫調度運用

大壩應急除險工程完成后，水利部水規(guī)總院組織專家對工程進行了安全評估，認為水庫可按原初設調度原則與方案進行調度。2010年，結合枯水期給下游供水，于4月末、5月初將水庫水位消落至死水位附近，并利用水位水消落時段完成了災后重建項目泄洪洞、引水洞進水塔塔側加高回填混凝土施工。至2010年汛期結束時，涉及防洪度汛和安全運行的災后重建工作已基本完成，擋水及泄水建筑物等主要功能指標已恢復至設計水平。本著“安全、科學、穩(wěn)妥、漸進”的原則，自9月開始進行高程877m試驗恢復蓄水，蓄水過程中采取分階段控制水庫蓄水位的調度方式，于9月底蓄水至高程865m。但受上游映秀鎮(zhèn)“8.14”泥石流災后河道疏浚影響，將汛后最高蓄水位調整至高程870m。2011年9月底，三年災后恢復重建工作已全部結束，水庫具備恢復正常運行的條件。但從7月中旬至9月，流域內遭遇伏旱及高溫天氣，上游來水減少三成左右，8月份最嚴重，來水減少七成左右，9月初水庫水位一度消落接近死水位，至10月末僅回蓄至高程870m。地震后水庫各月運用最高水位見表5。

5 結論與建議

5.1 結 論

圖12 2009年入庫、出庫流量及日均庫水位隨時間變化示意圖

圖13 2010年入庫、出庫流量及日均庫水位隨時間變化示意圖

圖14 2011年入庫、出庫流量及日均庫水位隨時間變化示意圖

表5 水庫各月運用最高水位表 /m

通過以上的分析敘述，2008年“5.12”汶川地震發(fā)生后，從紫坪鋪水庫控制流域范圍內局部氣候特征、近壩區(qū)產匯流過程、庫容曲線、水庫上下游災后重建對水庫水位的限制、樞紐本身因震損對防洪能力的影響等各方面的變化可以看到地震這一不可抗力因素給紫坪鋪水庫調度運用帶來的影響是十分明顯的，在外部環(huán)境以及自身參數發(fā)生變化的情況下，這種影響并不能完全通過樞紐建筑物的修復而得以消除，而是需要通過科學的手段、利用現有資源去逐步化解。紫坪鋪水庫從地震發(fā)生后應急調度到災后重建過程中過渡性調度，在順應大氣候變化趨勢的同時，充分利用氣象預報、水雨情測預報和工程在震后修復過程中不同時段所能具備的不同條件，及時調整了水庫調度運用計劃，科學調度和運用水庫，最大限度地緩解了地震對水庫調度運用的影響，在保障抗震救災、應急搶險及災后重建順利進行的同時，仍能在震后三年實現灌溉、供水、防洪、發(fā)電、應急調水及環(huán)保供水等原設計功能。

5.2 建 議

(1)對于震后幾年近壩區(qū)小氣候環(huán)境的改變與產匯流特征的變化在今后一段時間內水庫調度運用中應引起足夠的重視。

紫坪鋪水庫流域內暴雨區(qū)位于庫區(qū)附近映秀以下的漁子溪、壽溪一帶，這一帶也是“5.12”汶川地震的重災區(qū)。受地震影響，山體破碎，植被破壞嚴重，災后重建三年中，這一帶極端天氣現象頻發(fā)，局地強降雨在汛中發(fā)生次數多、強度大，該區(qū)域降雨后產匯流時間縮短，洪峰入庫速度加快，導致洪水預見期縮短，洪水入庫時間提前，對洪水調度是一個考驗。應進一步提高天氣預報精度，加強水雨情監(jiān)測，逐步掌握上游地區(qū)尤其是震中區(qū)域的產匯流特性，有效延長預見期，減輕防洪壓力。

(2)應進一步研究大地震發(fā)生后庫區(qū)泥沙沖淤規(guī)律的變化，制定合理的泥沙調度方案，有效延長水庫壽命。

在庫周和上游山體尚未穩(wěn)定前，泥沙入庫情況仍處于不斷變化的過程中，應進一步加強泥沙監(jiān)測，研究地震對水庫泥沙淤積的影響，充分掌握水庫淤積規(guī)律，制訂合理的泥沙調度方案，有效延長水庫壽命，以發(fā)揮其更大的社會和經濟效益。

(3)繼續(xù)研究水庫調度運用過程中應急調度詳細方案。

“5.12”地震及震后搶險及災后重建過程中，紫坪鋪水庫調度運用是紫坪鋪水利樞紐工程應急預案的一次實戰(zhàn)考驗，本次應急調度時間跨度長、情況復雜、影響因素多、異常氣候頻發(fā)，震后三年的調度運用是合適的。但“5.12”地震對樞紐工程及周邊地區(qū)的影響尚未完全顯現，隨著時間的推移，仍有可能產生新的變化，建議繼續(xù)研究水庫調度運用過程中應急調度的詳細方案，在保證樞紐大壩安全的前提下，充分實現紫坪鋪水庫灌溉、供水、防洪、發(fā)電等綜合效益。

(4)進一步發(fā)揮水雨情監(jiān)測系統(tǒng)的功能，實時優(yōu)化水庫調度運用方案。

不論震前還是震后，在紫坪鋪水庫調度運用過程中，水雨情測預報系統(tǒng)都發(fā)揮了較好的作用，尤其是在汛期。但由于水庫按固定汛限水位進行管理，導致在實際調度運用中水資源浪費嚴重，加重了泄洪設施的運行負擔，對汛期經常發(fā)生的伏旱或秋旱抗擊能力不足。建議研究進一步發(fā)揮樞紐水雨情監(jiān)測系統(tǒng)的功能、汛限水位動態(tài)控制的運行方案，科學進行洪調、水調和電調，在安全度汛、抗旱及洪水資源化等方面更好地發(fā)揮水庫的作用。